核工业用奥氏体耐热不锈钢22Cr21Ni12性能优化研究*

陈登华，刘 璇，何曲波 ，徐永福，刘海定

(1. 重庆材料研究院有限公司，重庆 400707; 2. 国家仪表功能材料工程技术研究中心，重庆 400707；3. 耐腐蚀合金重庆市重点实验室，重庆 400707)

0 引 言

奥氏体耐热不锈钢含有较高质量分数的Cr、Ni，可将ϒ相转变为α相的温度降得很低，使其在室温下依旧保持奥氏体组织[1-2]。这种特性使得耐热不锈钢具有优良的耐腐蚀性和高温性能，在氧化性介质中亦具有优良的抗氧化性能，被广泛应用于火电、核电、航空航天、军工等行业[3-4]。在核工业领域，耐热不锈钢通常用于排气系统、锅炉组件、电站压力容器等设备的制造[5]。为匹配新一代的核工业材料需求，大量研究者做了进一步的优化研究，通过添加各种合金元素改善奥氏体不锈钢的耐高温性能。例如，在合金中添加Cr元素，可以提升合金的高温抗氧化性，但Cr在不锈钢中生成脆性相，降低材料韧性[6]。但钢中添加微量元素可改善组织脆性相的问题，优化耐热不锈钢的组织和性能，添加Nb可使析出相在高温保持稳定，并优化析出相组成[7-8]；添加Cu元素可进一步改善Nb和Z相的偏析和形态，进一步提升耐热不锈钢在高温强度性能和高蠕变性[9-10]。在镍基高温合金领域，添加稀土元素亦可提升高温合金的高温力学性能[11-12]。对应用要求较高的不锈钢材料，稀土元素的添加可以改善合金的硬度，提升材料的力学性能，细化合金的晶粒，改善析出相的形态[13-15]。

随着我国核工业的不断发展，对环境安全提出了更高要求，放射性废物处理逐步采用玻璃固化方式，这对容器用材的要求进一步提高。我国工业常用的耐热不锈钢有22Cr21Ni12、18Cr23Ni18、03Cr19Ni10N等，高温性能尚不能满足需求。这导致一直以来我国制造该容器用材主要依赖进口或直接进口容器。本文针对放射性废物固化容器用材的需求，在22Cr21Ni12合金的基础上，优化成分，探索热处理工艺，结合各类材料测试手段，多角度分析材料的室温、高温性能，进而选取最佳合金成分和固溶处理工艺参数，为该耐热不锈钢国产化提供技术支撑。

1 实 验

1.1 实验原材料

本文研究的实验材料来自本单位设计并生产的耐热不锈钢板，成分见表1。研究共设计了2种成分，编号为S1、S2，变量为Si元素，适量添加了N、Ce微量元素改善性能。样品技术路线为：真空感应熔炼加电渣重熔双联工艺生产获得Φ600 mm的电渣锭，经锻造开坯、热轧获得δ7.5 mm×b1 280 mm×L2 715 mm板材；在板材的宽度1/4处，取标准拉伸、蠕变测试样品，将准备好的样品固溶处理后，进行测试分析。

表1 实验材料化学成分(%，质量分数)Table 1 Chemical composition of experimental samples(wt%)

1.2 样品制备

将样品进行固溶处理后制得研究样品，固溶实验方案为：加热炉加热的保温温度分别为1 020，1 050，1 080，1 110，1 140 ℃，样品采用到温装炉方式，处理时间1 h，出炉后水冷。

1.3 样品性能及表征

使用CMT5305电子万能试验机测试样品的室温力学拉伸，在室温拉伸样品头部残样取样；使用WPM布洛氏硬度计测硬度。按照标准金相样品抛光程序，制备金相样品，用OLYMPUS-GX51金相显微镜分析合金固溶处理后金相组织。在电子式持久蠕变试验机上测试了材料600，1 100 ℃高温拉伸性能。蠕变测试条件为600 ℃下施加170 MPa的应力，当变形量超过1%时，则停止实验，最多测试1 000 h。

2 结果与讨论

2.1 固溶温度对合金组织和室温力学性能的影响

图1为S2热轧后原始组织金相图。从图1可以看出，S2加工后的金相组织为典型的热轧态组织，碳氮化物析出相有加工的流线特征，且组织晶界上分布有密集的碳化物析出相，它是材料强度的主要来源[16]。在工业实践中，这类钢板仍需要进一步加工，需要通过固溶热处理进行进一步调整组织和性能，原则上不能使其性能过度恶化，又需保持一定的强度[17-18]。

图1 S2热轧后原始组织金相图(×100)Fig 1 The macro grain morphologies of the original specimen 100× of sample S2

图2为固溶温度对合金样品S1和S2的室温力学性能的影响。从图2可以看出，随着固溶温度的升高，合金室温力学性能在逐步下降，固溶温度>1 080 ℃以后，材料的强度出现一个较为明显下降阶梯。S1强度较S2，整体抗拉强度低约7%；但不同的是S1、S2的数据延伸率相近，对温度变化表现不敏感。

图2 固溶温度对合金样品S1、S2的室温力学性能的影响Fig 2 The mechanical properties of the samples of S1 and S2 varied with solution temperature

表2为固溶处理后样品S1和S2的HB测试结果。由表2可知， 随着固溶温度的增加，S1、S2合金的硬度持续下降，但S2的硬度表现得更好。

表2 固溶处理后样品S1、S2的HB测试结果Table 2 HB results of sample S1 and S2 aftersolution treatment

图3和4分别为固溶处理后S1和S2样品的金相组织照片。从图3和4可以观察到，在固溶温度1 020～1 080 ℃区间，随着固溶温度增加，组织逐步再结晶并长大，出现标志性的奥氏体孪晶，直至1 080 ℃时，组织均匀且没有出现异常长大。但固溶温度在1 100 ℃以后，合金晶粒出现了剧烈长大。组织的孪晶尺寸普遍较大，同时加工流线形态的碳化物析出也完全消失，融入组织中，进而导致室温拉伸性能和硬度都出现了明显地下降。也就是说对本文优化设计的不锈钢，固溶温度>1 080 ℃则不利于合金性能。

图3 合金样品S1固溶处理后的金相照片Fig 3 The microstructure graph of samples S1 after solution treatment

一般来说，耐热不锈钢的晶界的析出相以碳氮化合物为主。据研究，硅元素可增加晶界处耐热不锈钢中的碳化物析出数量，提升材料的抗拉强度和屈服强度[19-20]。S2的硅含量较高，图4也可以观察到基体上的碳化物数量比S1多。对S1和S2的晶粒度进行测算，结果如表3所示。

图4 样品S2固溶处理后的金相照片Fig 4 The microstructure graph of samples S2 after solution treatment

从表3可以看出，合金S2晶粒度在实验的固溶温度区间内，均小于合金S1。碳氮化合物能对晶界起到一定的钉扎作用，在固溶温度升高的过程中，对晶粒长大起到了一定的抑制作用，这也是S2的性能强度、硬度、细化晶粒度优于S1的重要原因。以上分析可知，固溶处理为了改善组织，优化性能但又不能恶化组织性能，结合室温拉伸和金相照片的结果，固溶温度1 050～1 080 ℃是本院设计生产的耐热不锈钢板处理优选区间。

表3 固溶处理后样品S1和S2的晶粒度Table 3 The grain size of samples S1 and S2 aftersolution treatment

2.2 固溶处理对合金高温性能的影响

图5为合金样品S1和S2的高温力学性能随固溶处理温度的变化，材料强度和塑性断面收缩率均作在同一图上。由图5可知，与室温拉伸性能不同的是S1和S2的高温性能是较为接近的。随着温度的升高，材料的高温力学性能随之降低。在2.1节中推荐的1 050～1 080 ℃的固溶区间内，样品S1和S2在600 ℃的高温力学性能处于较好的阶段，甚至优于1 020 ℃固溶处理的性能。

图5 合金样品S1、S2的高温力学性能(600 ℃)随固溶处理温度的变化Fig 5 The high temperature tensile property (600 ℃) varied with solution temperature of the samples of S1 and S2

因本文设计研发的材料是针对放射性废物盛放罐用材，有短暂的超过1 000 ℃的使用环境可能，故对设计的S1和S2样品进一步进行了材料力学性能测试，结果如表4所示。从表4可以看出，在1 100 ℃，S1和S2的强度明显下降，S1的断面收缩率接近S2的两倍，S1性能恶化明显。固溶温度高于1 080 ℃，合金塑性明显增加，已不符合需求。综合高温性能研究结果，S2的高温性能优于S1，优选固溶热处理温度为1 050 ℃，不高于1 080 ℃。

表4 不同固溶温度处理合金样品S1、S2的高温力学性能(1 100 ℃)Table 4 The high temperature tensile property (1 100 ℃) of the samples of S1 and S2 withdifferent solution temperature

3 优化耐热合金S2与22Cr21Ni12蠕变性能对比

因使用环境的特殊性，本文进一步分析了样品的高温力学性能。对S1、S2进行了600 ℃蠕变测试，并与未进行成分优化，由外部厂家提供的22Cr21Ni12合金样品1#和2#进行测试比较(其成分为C: 0.09%，Si：0.5%，Mn：1.50%，Cr：23.0%，Ni: 13.0%，N：0.08%)，结果如表5所示。由表5可知，S2的蠕变伸长率优于S1，在进行成分优化后，合金的高温蠕变伸长率明显改善。

表5 合金样品S1、S2和22Cr21Ni12合金样品1#、2#的蠕变结果对比Table 5 Comparison of the high temperature creeptest results of the samples of S1 and S2 with samples1# and 2# of 22Cr21Ni12 alloy

4 结 论

按存放放射性废物容器用材的研制需求，在22Cr21Ni12合金的基础上，进行成分优化，设计了两组材料S1和S2，对它们的室温性能和高温性能进行了研究，得出以下结论：

(1)材料的固溶温度优选1 050 ℃，但不超过1 080 ℃。

(2)S2在室温、600 ℃和1 100 ℃的高温力学性能均较好。

(3)优化成分的材料S2在高温环境下，蠕变伸长率优于对比材料22Cr21Ni12，成分优化后其高温性能明显改善，可作为放射性废物容器优选用材。